Java实现单例的难点

有简单又高效的方法可以实现单例模式,但没有一种方式能在任何情况下都确保单例的完整性。

单例模式是指某个类只被实例化一次,用来表示全局或系统范围的组件。单例模式常用于日志记录、工厂、窗口管理器和平台组件管理等。我认为要尽量避免使用单例模式,因为一旦实现就很难改变或重载,而且会造成编写测试用例困难、代码结构糟糕等问题。另外,下面文章中的单例模式是不安全的。

人们花大量的精力研究怎样更好地实现单例模式,但有一种简单高效的实现方法。然而,没有一种方法能在任何情况下都确保单例的完整性。阅读下文,看看你是否认同。

Final字段

这种方法将构造函数私有化,向外提供一个公有的static final对象:

public class FooSingleton {
    public final static FooSingleton INSTANCE = new FooSingleton();
    private FooSingleton() { }
    public void bar() { }
}

类加载时,static对象被初始化,此时私有的构造函数被第一次也是最后一次调用。即使在类初始化前有多个线程调用此类,JVM也能保证线程继续运行时该类已完整初始化。然而,使用反射和setAccessible(true)方法,可以创建其他新的实例:

Constructor[] constructors = FooSingleton.class.getDeclaredConstructors();
Constructor constructor = constructors[0];
constructor.setAccessible(true);
FooSingleton spuriousFoo = (FooSingleton) constructor.newInstance(new Object[0]);

我们需要修改构造函数,使其免于多次调用,例如当它被再次调用时抛出异常。如下这样修改FooSingleton构造函数,可以防范此类攻击:

public class FooSingleton2 {
    private static boolean INSTANCE_CREATED;
    public final static FooSingleton2 INSTANCE = new FooSingleton2();
    private FooSingleton2() {
        if (INSTANCE_CREATED) {
            throw new IllegalStateException("You must only create one instance of this class");
        } else {
            INSTANCE_CREATED = true;
        }
    }
    public void bar() { }
}

这样看起来安全一些了,但其实要创建新的实例还是一样容易。我们只需修改INSTANCE_CREATED字段,再玩同样的把戏就可以了:

Field f = FooSingleton2.class.getDeclaredField("INSTANCE_CREATED");
f.setAccessible(true);
f.set(null, false);
Constructor[] constructors = FooSingleton2.class.getDeclaredConstructors();
Constructor constructor = constructors[0];
constructor.setAccessible(true);
FooSingleton2 spuriousFoo = (FooSingleton2) constructor.newInstance(new Object[0]);

我们采取的任何防范措施都可能被绕过,所以此方案并不可行。

静态工厂

使用这种方法,公有的成员类似静态工厂:

public class FooSingleton3 {
    public final static FooSingleton3 INSTANCE = new FooSingleton3();
    private FooSingleton3() { }
    public static FooSingleton3 getInstance() { return INSTANCE; }
    public void bar() { }
}

getInstance()方法返回的永远是同一个对象引用。虽然这个方案也无法防范反射,但还是有它的一些优点。例如,可以在不改变API的情况下,改变单例的实现。getInstance()出现在几乎所有的单例实现中,它也标志着这真的是一个单例模式。

延迟加载的单例模式

(译者注:在软件工程中,Initialization-on-demand holder 这个习语指的就是延迟加载的单例模式,参见维基百科

如果希望尽可能延迟单例的创建(懒汉式加载),可以使用延迟初始化方法,当getInstance()方法第一次调用时线程安全地创建单例。相比之前的方案当第一次引用该类时就创建单例(饿汉式加载),这是一个进步。如下:

public class FooSingleton4 {
    private FooSingleton4() {
    }
    public static FooSingleton4 getInstance() {
        return FooSingleton4Holder.INSTANCE;
    }
    private static class FooSingleton4Holder {
        private static final FooSingleton4 INSTANCE = new FooSingleton4();
    }
}

要小心序列化

如果单例实现了序列化,它就要面临另一个威胁。因此需要将所有字段声明为transient(这样它就不会被序列化)并提供一个自定义的readResolve()方法返回唯一实例INSTANCE的引用。

枚举

这里用枚举作为单例INSTANCE的容器:

public enum FooEnumSingleton {
    INSTANCE;
    public static FooEnumSingleton getInstance() { return INSTANCE; }
    public void bar() { }
}

根据Java语言规范8.9,“Enum的final克隆方法保证枚举永远无法被克隆,其特殊的序列化机制保证无法反序列化得到拷贝的对象。同时,还禁止利用反射对枚举进行实例化。保证了这四个方面,在枚举常量之外,不会有其他同类的枚举实例存在。”

这样,我们似乎很简单地就防范了序列化、克隆和反射的攻击。第一次看到这段话,我立刻想要证明它是错的。如下代码所示,绕过这些保护是很容易的:

 Constructor con = FooEnumSingleton.class.getDeclaredConstructors()[0];
 Method[] methods = con.getClass().getDeclaredMethods();
 for (Method method : methods) {
     if (method.getName().equals("acquireConstructorAccessor")) {
         method.setAccessible(true);
         method.invoke(con, new Object[0]);
     }
  }
  Field[] fields = con.getClass().getDeclaredFields();
  Object ca = null;
  for (Field field : fields) {
      if (field.getName().equals("constructorAccessor")) {
          field.setAccessible(true);
          ca = field.get(con);
      }
  }
  Method method = ca.getClass().getMethod("newInstance", new Class[]{Object[].class});
  method.setAccessible(true);
  FooEnumSingleton spuriousEnum = (FooEnumSingleton) method.invoke(ca, new Object[]{new Object[]{"SPURIOUS_INSTANCE", 1}});
  printInfo(FooEnumSingleton.INSTANCE);
  printInfo(spuriousEnum);
}
private static void printInfo(FooEnumSingleton e) {
    System.out.println(e.getClass() + ":" + e.name() + ":" + e.ordinal());
}

执行这段代码,得到结果:

class com.blogspot.minborgsjavapot.singleton.FooEnumSingleton:INSTANCE:0
class com.blogspot.minborgsjavapot.singleton.FooEnumSingleton:SPURIOUS_INSTANCE:1

枚举的缺点是它无法另一个基类继承,因为它已经继承自java.lang.Enum。如果想要模拟这种继承,可以参考我另一篇文章中介绍的混入模式(mixin pattern)。

枚举的一个优点是,如果你之后希望有“二例(dualton)”或“三例(tringleton)”,只需要增加新的枚举实例即可。例如,有了一个单例的缓存之后,你也许还想给缓存引入多个层

结论

尽管绕过单例的这些保护并不容易,但确实没有一种万无一失的方案。如果你有更好的方案,请不吝赐教!

枚举是实现单例模式的简单而又高效的方法。如果想要有继承或懒汉式加载,延迟初始化方案是不错的选择。

祝你的单例好运!

原文链接: dzone 翻译: ImportNew.com - rainsbaby
译文链接: http://www.importnew.com/16995.html
[ 转载请保留原文出处、译者和译文链接。]

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3 条评论

  1. winwill2012 说道:

    总结得非常好,能转载吗?我的个人博客:http://qifuguang.me

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  2. weiguangyue 说道:

    public class Single {
    public final static Single getSingle(){
    return SingleHandler.single;
    }
    private final static class SingleHandler{
    private static final Single single = new Single();;
    }
    }

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  3. oniong 说道:

    看不懂那个绕过枚举单例保护的反射代码…
    Constructor con = FooEnumSingleton.class.getDeclaredConstructors()[0];
    Method[] methods = con.getClass().getDeclaredMethods();
    ……

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